W porównaniu z tradycyjną technologią spawania,spawanie laserowema niezrównane zalety w zakresie dokładności spawania, wydajności, niezawodności, automatyzacji i innych aspektów. W ostatnich latach szybko rozwinęła się w dziedzinie motoryzacji, energetyki, elektroniki i innych dziedzin i jest uważana za jedną z najbardziej obiecujących technologii produkcyjnych XXI wieku.
1. Przegląd podwójnej belkispawanie laserowe
Podwójna belkaspawanie laserowepolega na wykorzystaniu metod optycznych do rozdzielenia tego samego lasera na dwie oddzielne wiązki światła do spawania lub na połączeniu dwóch różnych typów laserów, takich jak laser CO2, laser Nd:YAG i laser półprzewodnikowy dużej mocy. Wszystko można połączyć. Zaproponowano głównie rozwiązanie problemu adaptacji spawania laserowego do dokładności montażu, poprawę stabilności procesu spawania oraz poprawę jakości spoiny. Podwójna belkaspawanie laserowemoże wygodnie i elastycznie regulować pole temperatury spawania, zmieniając stosunek energii wiązek, odstępy między wiązkami, a nawet wzór rozkładu energii dwóch wiązek laserowych, zmieniając wzór istnienia dziurki od klucza i wzór przepływu ciekłego metalu w roztopionym jeziorku. Zapewnia szerszy wybór procesów spawania. Ma nie tylko zalety dużespawanie laserowepenetracji, dużej prędkości i wysokiej precyzji, ale nadaje się również do materiałów i połączeń, które są trudne do spawania w sposób konwencjonalnyspawanie laserowe.
Do podwójnej belkispawanie laserowe, najpierw omówimy metody realizacji lasera dwuwiązkowego. Obszerna literatura pokazuje, że istnieją dwa główne sposoby osiągnięcia spawania podwójną wiązką: ogniskowanie transmisyjne i ogniskowanie odbiciowe. W szczególności osiąga się to poprzez regulację kąta i odstępu dwóch laserów za pomocą zwierciadeł skupiających i zwierciadeł kolimacyjnych. Drugi efekt osiąga się poprzez użycie źródła lasera, a następnie ogniskowanie za pomocą zwierciadeł odbijających, zwierciadeł transmisyjnych i zwierciadeł w kształcie klina, aby uzyskać podwójną wiązkę. W przypadku pierwszej metody istnieją głównie trzy formy. Pierwsza forma polega na połączeniu dwóch laserów za pomocą włókien optycznych i podzieleniu ich na dwie różne wiązki pod tym samym zwierciadłem kolimacyjnym i zwierciadłem skupiającym. Po drugie, dwa lasery wysyłają wiązki laserowe przez odpowiednie głowice spawalnicze, a poprzez regulację przestrzennego położenia głowic spawalniczych powstaje podwójna wiązka. Trzecia metoda polega na tym, że wiązka lasera jest najpierw rozdzielana przez dwa zwierciadła 1 i 2, a następnie skupiana przez dwa zwierciadła ogniskujące odpowiednio 3 i 4. Położenie i odległość między dwoma ogniskami można regulować, regulując kąty dwóch luster skupiających 3 i 4. Druga metoda polega na użyciu lasera na ciele stałym do rozdzielenia światła w celu uzyskania podwójnych wiązek oraz regulacji kąta i odstęp przez zwierciadło perspektywiczne i zwierciadło skupiające. Ostatnie dwa zdjęcia w pierwszym rzędzie poniżej przedstawiają układ spektroskopowy lasera CO2. Płaskie lustro zastąpiono zwierciadłem w kształcie klina i umieszczono przed lustrem skupiającym, aby rozdzielić światło i uzyskać światło równoległe z podwójną wiązką.
Po zrozumieniu zastosowania podwójnych belek, krótko przedstawmy zasady i metody spawania. W podwójnej belcespawanie laseroweW procesie tym istnieją trzy popularne układy wiązek, mianowicie układ szeregowy, układ równoległy i układ hybrydowy. tkaniny, co oznacza, że istnieje odległość zarówno w kierunku zgrzewania, jak i w kierunku pionowym zgrzewania. Jak pokazano w ostatnim rzędzie rysunku, w zależności od różnych kształtów małych otworów i jeziorek stopionego materiału, które pojawiają się w różnych odstępach punktów podczas procesu spawania seryjnego, można je dalej podzielić na pojedyncze wytopy. Istnieją trzy stany: basen, wspólny basen stopionego i oddzielony basen stopiony. Charakterystyka pojedynczego jeziorka stopionego i oddzielnego jeziorka stopionego są podobne do właściwości pojedynczegospawanie laserowe, jak pokazano na numerycznym schemacie symulacji. Istnieją różne efekty procesu dla różnych typów.
Typ 1: Przy pewnym rozstawie punktów dwie dziurki od klucza w belkach tworzą wspólną dużą dziurkę od klucza w tym samym roztopionym jeziorku; w przypadku typu 1 podaje się, że jedną wiązkę światła wykorzystuje się do wytworzenia małego otworu, a drugą do obróbki cieplnej spawania, co może skutecznie poprawić właściwości konstrukcyjne stali wysokowęglowej i stali stopowej.
Typ 2: Zwiększ odstępy między punktami w tym samym roztopionym jeziorku, rozdziel dwie belki w dwa niezależne otwory od klucza i zmień wzór przepływu roztopionego jeziorka; dla typu 2 pełni funkcję równoważną spawaniu dwoma wiązkami elektronów. Redukuje odpryski spawalnicze i nieregularne spoiny przy odpowiedniej ogniskowej.
Typ 3: Dalsze zwiększenie odstępu między punktami i zmiana stosunku energii obu wiązek, tak aby jedna z dwóch wiązek była wykorzystywana jako źródło ciepła do wykonywania obróbki przed spawaniem lub po spawaniu w procesie spawania, a druga wiązka służy do generowania małych otworów. W przypadku typu 3 badanie wykazało, że dwie belki tworzą dziurkę od klucza, mały otwór nie jest łatwy do zapadnięcia, a spoina nie jest łatwa do wytworzenia porów.
2. Wpływ procesu spawania na jakość spawania
Wpływ stosunku energii wiązki szeregowej do powstawania szwu spawalniczego
Przy mocy lasera 2kW, prędkości spawania 45 mm/s, stopniu rozogniskowania 0 mm, rozstawie wiązek 3 mm, kształt powierzchni spoiny przy zmianie RS (RS= 0,50, 0,67, 1,50, 2,00) wynosi: pokazany na rysunku. Gdy RS=0,50 i 2,00, spoina jest wgnieciona w większym stopniu, a na krawędzi spoiny występuje więcej odprysków, bez tworzenia się regularnych wzorów rybiej łuski. Dzieje się tak dlatego, że gdy stosunek energii wiązki jest za mały lub za duży, energia lasera jest zbyt skoncentrowana, co powoduje poważniejsze oscylacje otworu lasera podczas procesu spawania, a ciśnienie odrzutu pary powoduje wyrzucanie i rozpryskiwanie stopionego metal basenowy w stopionym jeziorku; Nadmierne doprowadzenie ciepła powoduje, że głębokość wnikania jeziorka stopionego po stronie stopu aluminium jest zbyt duża, co powoduje wgłębienie pod działaniem siły ciężkości. Gdy RS=0,67 i 1,50, wzór rybiej łuski na powierzchni spoiny jest jednolity, kształt spoiny jest ładniejszy, a na powierzchni spoiny nie ma widocznych pęknięć na gorąco, porów i innych wad spawalniczych. Kształty przekrojów spoin przy różnych współczynnikach energii wiązki RS przedstawiono na rysunku. Przekrój spoin ma typowy kształt „kieliszka do wina”, co wskazuje, że proces spawania prowadzony jest w trybie spawania laserowego z głęboką penetracją. RS ma istotny wpływ na głębokość wtopienia P2 spoiny od strony stopu aluminium. Gdy stosunek energii wiązki RS=0,5, P2 wynosi 1203,2 mikrona. Gdy stosunek energii wiązki wynosi RS=0,67 i 1,5, P2 ulega znacznemu zmniejszeniu i wynosi odpowiednio 403,3 mikrona i 93,6 mikrona. Gdy stosunek energii wiązki wynosi RS=2, głębokość wtopienia spoiny w przekroju poprzecznym złącza wynosi 1151,6 mikrona.
Wpływ stosunku energii wiązki równoległej na powstawanie szwu spawalniczego
Przy mocy lasera 2,8 kW, prędkości spawania 33 mm/s, stopniu rozogniskowania 0 mm i rozstawie wiązek 1 mm, powierzchnię spoiny uzyskuje się poprzez zmianę stosunku energii wiązki (RS=0,25, 0,5, 0,67, 1,5 , 2, 4) Wygląd pokazano na rysunku. Gdy RS=2, wzór rybiej łuski na powierzchni spoiny jest stosunkowo nieregularny. Powierzchnia spoiny uzyskana przy pięciu różnych współczynnikach energii wiązki jest dobrze uformowana i nie ma widocznych defektów, takich jak pory i odpryski. Dlatego w porównaniu z szeregową podwójną wiązkąspawanie laserowepowierzchnia spoiny przy użyciu równoległych podwójnych wiązek jest bardziej jednolita i piękna. Gdy RS=0,25, w spoinie występuje niewielkie zagłębienie; w miarę stopniowego zwiększania się współczynnika energii wiązki (RS=0,5, 0,67 i 1,5) powierzchnia spoiny jest jednolita i nie powstają żadne zagłębienia; natomiast w przypadku dalszego wzrostu współczynnika energii wiązki (RS=1,50, 2,00) na powierzchni spoiny powstają zagłębienia. Gdy współczynnik energii wiązki RS=0,25, 1,5 i 2, spoina ma kształt przekroju poprzecznego „kształt kieliszka do wina”; gdy RS=0,50, 0,67 i 1, kształt przekroju spoiny ma kształt „lejkowy”. Gdy RS=4, powstają nie tylko pęknięcia u dołu spoiny, ale także powstają pory w środkowej i dolnej części spoiny. Gdy RS=2, wewnątrz spoiny pojawiają się duże pory procesowe, ale nie pojawiają się żadne pęknięcia. Przy RS=0,5, 0,67 i 1,5 głębokość wtopienia P2 spoiny od strony stopu aluminium jest mniejsza, a przekrój spoiny jest dobrze uformowany i nie tworzą się widoczne wady spawalnicze. Pokazują one, że stosunek energii wiązki podczas równoległego spawania laserowego z podwójną wiązką ma również istotny wpływ na wtopienie spoiny i wady spawalnicze.
Belka równoległa – wpływ rozstawu belek na powstawanie spoiny spawalniczej
Gdy moc lasera wynosi 2,8 kW, prędkość spawania wynosi 33 mm/s, stopień rozogniskowania wynosi 0 mm, a stosunek energii wiązki RS = 0,67, należy zmienić rozstaw wiązek (d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm), aby uzyskać morfologia powierzchni spoiny, jak pokazuje zdjęcie. Gdy d = 0,5 mm, 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, powierzchnia spoiny jest gładka i płaska, a kształt jest piękny; wzór rybiej łuski spoiny jest regularny i piękny, nie ma widocznych porów, pęknięć i innych wad. Dlatego w warunkach rozstawu czterech wiązek powierzchnia spoiny jest dobrze uformowana. Dodatkowo, gdy d=2 mm, powstają dwie różne spoiny, co pokazuje, że dwie równoległe wiązki lasera nie oddziałują już na jeziorko stopionego materiału i nie mogą utworzyć efektywnego hybrydowego spawania laserowego z podwójną wiązką. Gdy rozstaw belek wynosi 0,5 mm, spoina ma kształt „lejka”, głębokość wnikania spoiny P2 od strony stopu aluminium wynosi 712,9 mikrona, a wewnątrz spoiny nie ma pęknięć, porów i innych wad. Wraz ze wzrostem rozstawu belek głębokość penetracji P2 spoiny po stronie stopu aluminium znacznie maleje. Przy rozstawie belek 1 mm głębokość wnikania spoiny po stronie stopu aluminium wynosi zaledwie 94,2 mikrona. W miarę dalszego zwiększania się odstępu między belkami, spoina nie tworzy skutecznej penetracji po stronie stopu aluminium. Dlatego też, gdy odstęp wiązek wynosi 0,5 mm, efekt rekombinacji podwójnej wiązki jest najlepszy. Wraz ze wzrostem odstępu między wiązkami dopływ ciepła spawania gwałtownie maleje, a efekt rekombinacji lasera dwuwiązkowego stopniowo się pogarsza.
Różnica w morfologii spoiny wynika z odmiennego przepływu i stygnięcia jeziorka podczas procesu spawania. Metoda symulacji numerycznej może nie tylko sprawić, że analiza naprężeń stopionego jeziorka stanie się bardziej intuicyjna, ale także obniży koszty eksperymentu. Poniższy rysunek przedstawia zmiany w jeziorku bocznym przy pojedynczej wiązce, w różnych układach i odstępach między punktami. Główne wnioski obejmują: (1) Podczas pojedynczej belkispawanie laserowew procesie głębokość otworu roztopionego basenu jest największa, występuje zjawisko zapadania się otworu, ściana otworu jest nieregularna, a rozkład pola przepływu w pobliżu ściany otworu jest nierówny; w pobliżu tylnej powierzchni roztopionego jeziorka Wypływ jest silny, a na dnie roztopionego jeziorka następuje wypływ ku górze; rozkład pola przepływu powierzchniowego jeziorka jest stosunkowo równomierny i powolny, a szerokość stopionego jeziorka jest nierówna w kierunku głębokości. Występują zakłócenia spowodowane ciśnieniem odrzutu ścian w jeziorku stopionym pomiędzy małymi otworami w belce podwójnejspawanie laserowei zawsze istnieje wzdłuż kierunku głębokości małych otworów. W miarę zwiększania się odległości między dwiema wiązkami gęstość energii wiązki stopniowo przechodzi od stanu pojedynczego szczytu do stanu podwójnego szczytu. Pomiędzy dwoma pikami występuje minimalna wartość, a gęstość energii stopniowo maleje. (2) Dla podwójnej belkispawanie laserowegdy odstęp między punktami wynosi 0-0,5 mm, głębokość małych otworów stopionego jeziorka nieznacznie się zmniejsza, a ogólne zachowanie przepływu stopionego jeziorka jest podobne do tego w przypadku pojedynczej belkispawanie laserowe; przy rozstawie punktów powyżej 1mm małe otwory ulegają całkowitemu oddzieleniu, a podczas procesu spawania pomiędzy obydwoma laserami praktycznie nie zachodzi interakcja, co jest równoważne dwóm kolejnym/dwóm równoległym spawaniom laserowym jednowiązkowym o mocy 1750W. Prawie nie występuje efekt podgrzewania wstępnego, a zachowanie przepływu stopionego jeziorka jest podobne do spawania laserowego z pojedynczą wiązką. (3) Gdy odstęp między plamkami wynosi 0,5–1 mm, powierzchnia ścianek małych otworów jest w obu układach bardziej płaska, głębokość małych otworów stopniowo maleje, a dno stopniowo się oddziela. Zakłócenia pomiędzy małymi otworami a przepływem jeziorka stopionego na powierzchni wynoszą 0,8 mm. Najsilniejszy. W przypadku spawania seryjnego długość jeziorka stopionego stopniowo wzrasta, szerokość jest największa, gdy odstęp między punktami wynosi 0,8 mm, a efekt podgrzewania wstępnego jest najbardziej widoczny, gdy odstęp między punktami wynosi 0,8 mm. Działanie siły Marangoniego stopniowo słabnie i po obu stronach roztopionego basenu przepływa więcej metalicznej cieczy. Spraw, aby rozkład szerokości stopu był bardziej równomierny. W przypadku spawania równoległego szerokość jeziorka stopionego stopniowo wzrasta, a długość wynosi maksymalnie 0,8 mm, ale nie występuje efekt podgrzewania; wypływ w pobliżu powierzchni spowodowany siłą Marangoniego zawsze istnieje, a wypływ w dół na dnie małego otworu stopniowo zanika; pole przepływu w przekroju poprzecznym nie jest tak dobre, jak jest silne w połączeniu szeregowym, zaburzenie prawie nie wpływa na przepływ po obu stronach jeziorka stopionego, a szerokość stopionego materiału jest nierównomiernie rozłożona.
Czas publikacji: 12 października 2023 r
